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Im Werk Kassel fertigt Volkswagen bis zu 30 verschiedene Hinterachsgetriebetypen parallel unter Einsatz eines berührungslosen Identsystems Simatic RF300 von Siemens

RFID-Systeme ermöglichen variantenreiche Fertigung

01 Warten auf Daten: Das RFID-System Simatic RF300 liest und schreibt bis zu drei Mal schneller als das Vorläufersystem und ermöglicht so erheblich verkürzte Taktzeiten in der Produktion

02 Für jeden etwas: RFID-Transponder gibt es in unterschiedlichsten Bauformen, um auch spezielle Anforderungen zu erfüllen

Der harte Wettbewerb in vielen Märkten erfordert oft ein immer individuelleres Produktangebot. Doch wenn ein Unternehmen den Schritt von standardisierten Massen- hin zu individualisierten Serienprodukten macht, ist es einem umfassenden Transformationsprozess ausgesetzt. Besonders betroffen: die Produktionsgestaltung. Mit der Radio-Frequency-Identification (RFID) lassen sich die Herausforderungen einer variantenreichen Fertigung kleiner Losgrößen kostengünstig und effektiv erfüllen.

In der Produktion gibt es eine Vielzahl von Maßnahmen, die eine kostengünstige Herstellung von individualisierten Serienprodukten ermöglichen. So können geeignete Fertigungstechnologien und -maschinen eingesetzt werden, die eine Anpassung an jedes einzelne Werkstück ermöglichen. Ein Beispiel sind CNC-gestützte Bearbeitungsmaschinen, die bei entsprechender Integration in die IT-Steuersysteme sowie einer Verkettung in den Produktionsfluss eine vollautomatische Bearbeitung von Einzelstücken ermöglichen. Eine zweite Möglichkeit bietet die auftragsbezogene Montage einzelner Produkte. So ist der Montageprozess, zum Beispiel bei einem kundenspezifisch gefertigten Personal Computer, im Prinzip ähnlich zu dem aller anderen Computer. Doch durch den Einbau unterschiedlicher Bauteile entstehen, je nach Bestellung (z. B. unterschiedlicher Speicherausbau, Grafikkarten oder vorinstallierte Software-Pakete) sehr spezifische Produkte. Hier ist zudem eine auftragsbezogene Steuerung des Materialflusses notwendig, die die benötigten Bauteile für jedes Produkt genau zum richtigen Zeitpunkt an den Montageplatz bringt.

Um aber eine solche Fabrik zuverlässig, das heißt mit geringer Störanfälligkeit, zu betreiben, sind neue Konzepte zur Steuerung notwendig. Denn ein solcher Betrieb ist keine, nach einem starren Schema ablaufende, Maschinerie mehr, sondern entspricht eher einem lebendigen Organismus. Inzwischen hat sich die Erkenntnis durchgesetzt, dass dazu die Dezentralisierung der Planung, Steuerung und Kontrolle eine wichtige Strategie darstellt. Dezentralisierung bedeutet, dass Entscheidungen auf einer möglichst tiefen Ebene in der Automatisierungshierarchie, also „vor Ort“, getroffen werden. Idealerweise bringt das Werkstück alle Informationen mit, die an ihm auszuführen sind, ohne dass zentrale Einheiten zur Einzelsteuerung notwendig sind. Letztlich führt dieses Konzept zu autonomen Fertigungszellen, die einen bestimmten Produktionsschritt möglichst unabhängig von anderen Einheiten durchführen können und, durch ihre Möglichkeit zu lernen, sich selbst optimieren. Bei der Nutzung solcher flexibler Fertigungsstationen ist jedoch eine eindeutige Identifizierung des jeweiligen Werkstücks unabdingbar: Schließlich muss die Maschine ein für jedes Werkstück individualisiertes Programm durchführen. Die theoretische Möglichkeit, jede Warenbewegung per Computer vorherzusagen, welches Werkstück sich gerade in welcher Station befindet, ist praktisch kaum realisierbar. Zu groß sind die Abweichungsmöglichkeiten, zu komplex der datentechnische Aufwand.

Flexible Produktion – gesteuert per Funk
In der Praxis sind jedoch verschiedene Identifikationssysteme im Einsatz, wobei sich besonders die RFID-Systeme im Hochfrequenz-Bereich (HF) durch geringe Kosten und hohe Zuverlässigkeit bewähren. Die Funktechnik ist unempfindlich gegen Verschmutzungen aller Art. Das macht sie interessant für Anwendungen, bei denen raue Umgebungsbedingungen unvermeidbar sind. Ein zweiter Vorteil von RFID ist die Möglichkeit zum mehrfachen Beschreiben der Datenträger. Zusammen mit der hohen Speicherkapazität von RFID-Transpondern (bis 32 kByte beim System Simatic RF300 von Siemens) können dezentrale Automatisierungsarchitekturen realisiert werden, die den Aufwand für die zentrale Datenhaltung deutlich reduzieren. Das Konzept: RFID-Transponder mit großem Speicher werden an jedem Werkstück (bzw. am Werkstückträger) angebracht und speichern alle benötigten Produktionsdaten wie Materialliste, Produktionsanweisungen, Prüfvorschriften usw. Diese Daten werden am Beginn einer Fertigungslinie aus dem Produktionssteuerungssystem abgefragt und auf den Transponder programmiert.

An den einzelnen Fertigungsstationen lesen SPS-Controller diese Daten direkt aus den RFID-Lesern und nutzen sie zur Steuerung des Produktionsabschnittes. Im Idealfall sind keine Abfragen an die Hintergrundsysteme erforderlich. Nach der Durchführung des Fertigungsschrittes kann die SPS die Status- und Qualitätsdaten auf den RFID-Transponder speichern, bevor dieser zusammen mit dem Werkstück weiter zur nächsten Station transportiert wird. Siemens bietet zwei RFID-Produktfamilien im HF-Bereich. Die Simatic RF300 ist ein leistungsfähiges System, das ein speziell entwickeltes Funkprotokoll verwendet. Der Vorteil: Die Kommunikation ist achtmal schneller als bei Standardsystemen, und die Datenträger können bis zu 32 kByte Daten speichern. Selbst umfangreiche Datensätze können schnell ausgelesen werden, oft sogar ohne den Transponder (und damit das Werkstück) vor der Antenne stoppen zu müssen (Bild 1). Das Simatic RF200 hingegen ist ein einfach einzusetzendes, kostengünstiges RFID-System, das die Standarddatenträger entsprechend der Normengruppe ISO/ IEC 15693 unterstützt. Damit sind Anwendungen mit normalen Anforderungen an Speichergröße und Geschwindigkeit realisierbar. Das System gibt es auch in einer Variante für IO-Link, was die Nutzung der Daten im SPS-Programm nochmals vereinfacht. Damit die RFID-Transponder und -Leser in industriellen Umgebungen eingesetzt werden können, müssen die Komponenten bestimmte Anforderungen erfüllen. So wird eine robuste Bauform mit hoher Schutzart (IP65 oder höher) vorausgesetzt, damit Staub, Chemikalien oder Feuchtigkeit der Funktionsfähigkeit keinen Abbruch tun. Die Anschlussmöglichkeiten der Leser müssen den gängigen Standards entsprechen – robuste Schraubverbindungen, Stromversorgung mit 24 V und die Integration in die üblichen Bussysteme, wie Profibus und Profinet, sind für die RFID-Systeme von Siemens selbstverständlich.

Lösungen auch für spezielle Anforderungen
Doch auch im Detail muss die Lösung stimmen. So sind bei den Transpondern die Bauform und die mögliche Lesereichweite von großer Bedeutung. Mit dem MDS D117 ist zum Beispiel ein Transponder verfügbar, der gerade mal 4 mm Durchmesser und 5 mm Länge hat. Der neue RF330T hin- gegen ist ein universaler Rundtransponder mit 32 kByte Speicherkapazität und der Möglichkeit des bündigen Einbaus in Metall. Der hitzefeste Datenspeicher MDS D339 kann wiederum bis zu 220 °C erwärmt werden – und das mehrere Tausend Mal. Auch bei Lesegeräten und Antennen ist ein breites Angebot von Vorteil. Gerade bei den HF-Systemen sind Reichweite und Baugröße wichtige Parameter, die sich oft widersprechen. So ist die ANT 8 für Einbaumaße von 8 mm Durchmesser ausgelegt – eine der kleinsten Industrieantennen auf dem Markt. Allerdings beträgt die Reichweite kaum mehr als 8 mm – doch für Anwendungen wie die Identifikation von Werkzeugen in Maschinen eine optimale Kombination.

Hochleistungssysteme wie das Lesegerät RF290R in Kombination mit der Antenne ANT D10 schaffen hingegen bis zu 500 mm Reichweite, allerdings bei deutlich größeren Abmessungen. Doch ist diese Konfiguration zum Beispiel zur Erfassung von Transportboxen in Förderanlagen genau richtig (Bild 2). Dass das Konzept der RFID-gesteuerten variantenreichen Fertigung auch in der Praxis aufgeht, beweisen zahlreiche erfolgreiche Anwendungen – zum Beispiel in der Getriebefertigung des Volkswagen-Werks Kassel. Im Einlauf der Linie werden die Identnummer für das bestellte Getriebe sowie die erforderliche Rezeptur auf den Tag geschrieben und mit einer Bearbeitungspalettennummer verknüpft. Der mobile Datenspeicher Simatic RF350T bietet dazu 32 kByte FRAM. Nach dem Abarbeiten der entsprechenden Anweisungen werden die Bauteile geprüft und quittierungsspezifische Fertigungs- und Qualitätsdaten (z. B. Anzugsdrehmomente und Drehwinkel bei Verschraubungen, Nutbreiten usw.) auf dem Tag der Bearbeitungspalette gespeichert. So entsteht im Fertigungsablauf eine lückenlose Dokumentation der wichtigsten Fertigungs- und Qualitätsdaten, die am Ende der Linie in das übergeordnete Modeas-System für die Langzeitarchivierung und Qualitätsverfolgung bei Volkswagen übernommen werden. Die Fertigungsplanung „Getriebe“ von Volkswagen Kassel ist mit dem neuen RFID-System vollauf zufrieden und sieht sich bestens gerüstet für weitere Herausforderungen der Zukunft. Neben einer signifikanten Reduzierung der Taktzeiten wurde eine weitere Flexibilisierung der Produktion erreicht, um auch moderne Fertigungsmodelle wie Just-in-Sequence-Fertigung bei „Losgröße 1“ effizient realisieren zu können. (hz)

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Autor:
M.Sc. Markus Weinländer ist Leiter Produktmanagement Simatic Ident in der Division Industry Automation bei der Siemens AG in Nürnberg.